Физики предсказали сверхпроводимость при 200 градусах Цельсия

Физики теоретически предсказали сохранение сверхпроводящего состояния в двойном гидриде лития и магния Li₂MgH₁₆ вплоть до 200 градусов Цельсия. Однако для этого соединение придется поместить под высокое давление порядка 250 гигапаскалей, то есть порядка 2,5 миллионов атмосфер, пишут авторы в журнале Physical Review Letters.

Сверхпроводимость — это квантовое явление, позволяющее некоторым веществам проводить электрический ток без сопротивления. Этот феномен был открыт в 1911 году Хейке Камерлинг-Оннесом, за что он через два года получил Нобелевскую премию по физике.

Как правило, сверхпроводимость наблюдается при низких температурах, а первые открытые сверхпроводники переходили в такое состояние лишь вблизи абсолютного нуля. Однако постепенно физики открывали вещества со все большей критической температурой. Тем не менее, достичь сверхпроводимости при стандартных для поверхности Земли условиях пока что не удалось.

Поиск рекордных сверхпроводников осложняется отсутствием полноценной теории, которая смогла бы описать уже обнаруженные высокотемпературные сверхпроводники. В последние годы появились работы о хороших параметрах соединений с водородом при высоких давлениях в миллионы атмосфер. В частности, сульфид водорода SH₃ и гидрид лантана LaH₁₀, которые начинают проводить ток без сопротивления примерно при температуре 200 и 260 кельвин соответственно. Гидриду лантана на данный момент принадлежит рекорд по критической температуре.

С теоретической точки зрения гидриды комбинируют подходящие качества водорода и наличия свободных электронов, которыми легко делятся щелочные металлы. При экстремальных давлениях высокое содержание водорода в соединении наделяет его свойствами металлического водорода, то есть высокими частотами фононов и их сильным спариванием с электронами.

В теоретической работе китайских физиков из Цзилиньского университета под руководством Яньмина Ма (Yanming Ma) делается вывод, что двойной гидрид лития и магния Li₂MgH₁₆ может быть сверхпроводником не просто при комнатной температуре, а вплоть до примерно 473 кельвинов, то есть порядка 200 градусов Цельсия, что является рекордным значением для всех предсказаний. Однако, как и для других соединений водорода, для этого потребуется высокое давление — в данном случае 250 гигапаскаль, то есть 2,5 миллиона атмосфер, что примерно соответствует условиям в ядре Земли.

Ключевой идеей новой работы стало рассмотрение не бинарных гидридов, состоящих из водорода и еще одного элемента, а тройных, где дополнительных элементов два. В таком случае резко повышается количество возможных комбинаций и, соответственно, потенциальная область значений различных параметров веществ. Однако исследование трехэлементных соединений также гораздо более трудоемко.

Описываемый в статье гидрид лития и магния Li₂MgH₁₆ можно рассматривать как гидрид магния MgH₁₆, легированный литием, который служит донором электронов. Сам по себе MgH₁₆ не сохраняет структуру при высоких давлениях и от него отделяются молекулы водорода, что является нежелательным эффектом, препятствующим сверхпроводимости. Согласно расчетам группы Ма в рамках теории функционала плотности внедрение лития позволяет стабилизировать вещество.

Тем не менее, теоретические методы поиска сверхпроводников остаются недостаточно точными. Например, теория функционала плотности предсказывала для гидрида лантана намного более высокие давления перехода. В связи с этим требуются уточнения в моделях, которые позволят как исследовать все более сложные соединения, так научиться искать сверхпроводники с менее экстремальными давлениями.

Ранее физики показали, что сверхпроводимость муаровой сверхрешетки из графена является настраиваемой, нашли уникальный пример сосуществования сверхпроводимости и магнетизма, и убедились, что сверхпроводник на основе арсенида железа — пьезомагнетик.